Two-dimensional semiconductor materials, represented by transition metal dichalcogenides (TMDCs), have the characteristics of extreme thickness, high mobility, and back-end heterogeneous integration. They are expected to continue Moore's law and realize integrated circuits with three-dimensional architecture. and industry attention. After nearly a decade of development, two-dimensional electronics has made great progress, but there are still challenges in the preparation of large-area single crystals, key device processes, and compatibility with mainstream semiconductor technologies.
Výzkumná skupina profesora Xinrana Wanga ze School of Electronic Science and Engineering Univerzity Nanjing se zaměřila na výše uvedené problémy a zkoumala průlomy v klíčových technologiích dvou{0}}výroby polovodičových monokrystalů a hetero- integrace, která poskytla nové nápady pro vývoj integrovaných obvodů v post-Mooreově éře. Relevantní výsledky výzkumu byly nedávno publikovány v Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Polovodičové monokrystalické materiály jsou základním kamenem mikroelektronického průmyslu. Ve srovnání s běžnými 12-palcovými monokrystalickými křemíkovými destičkami je příprava dvou-dimenzionálních polovodičů stále ve fázi malého-měřítka a polykrystalické fáze. Vývoj velkoplošných-vysoce{5}}kvalitních monokrystalických tenkých vrstev je prvním krokem k dvou-rozměrným integrovaným obvodům. . Během růstu dvou-dimenzionálních materiálů se však náhodně generují miliony mikroskopických čipů a monolitický monokrystalický materiál je možné získat pouze řízením všech čipů, aby byl zachován striktně konzistentní směr uspořádání.
Sapphire is a widely used substrate in the semiconductor industry and has outstanding advantages in mass production, low cost and process compatibility. The collaborating team proposed a scheme to artificially construct atomic-scale "terraces" by changing the direction of the atomic steps on the sapphire surface. The directional growth of TMDCs was achieved by the directional induced nucleation mechanism of "atomic terraces".
Based on this principle, the team achieved the epitaxial growth of a 2-inch MoS2 single crystal film for the first time in the world. Thanks to the improvement of material quality, the mobility of field effect transistors based on MoS2 single crystal is as high as 102.6 cm2/Vs, and the current density reaches 450 μA/μm, which is one of the highest comprehensive performances reported internationally. At the same time, the technology has good universality and is suitable for the preparation of single crystals of other materials such as MoSe2. This work has laid a material foundation for the application of TMDC in the field of integrated circuits.
Dvourozměrné polovodiče při pohledu vzhůru ke hvězdám přinášejí světlo budoucí zobrazovací technologii
Průlom velkoplošných-jedno{1}}krystalických materiálů umožňuje použití dvou-rozměrných polovodičů. Ve druhé práci, založené na letech akumulace výzkumu polovodičů třetí-generace, v kombinaci s nejnovějším dvou-dimenzionálním řešením polovodičových monokrystalů, navrhl tým spolupracující ze School of Electronics monolitický integrovaný ultra -Micro LED displej s vysokým-rozlišením založený na budicím obvodu tenkovrstvého tranzistoru MoS2. Technická řešení.
Micro LED označuje technologii, která využívá mikronové -diody LED jako světlo-vyzařující pixelové jednotky a spojuje je s řídicími moduly, aby vytvořily pole s vysokou-hustotou displeje. Ve srovnání se současnými běžnými zobrazovacími technologiemi, jako jsou LCD a OLED, má Micro LED mezi-generační výhody, pokud jde o jas, rozlišení, spotřebu energie, životnost, rychlost odezvy a tepelnou stabilitu, a je mezinárodně uznávaným dalším{ {4}}generace zobrazovací technologie.
Industrializace Micro LED však stále čelí mnoha výzvám. Zaprvé, je obtížné splnit požadavky na řízení-zobrazovacích jednotek s vysokou hustotou v malých velikostech. Zadruhé, technologie hromadného přenosu populární v tomto odvětví je obtížné splnit vývojové potřeby displejů s vysokým{1}}rozlišením, pokud jde o náklady a výtěžnost. Zejména u aplikací s ultra-vysokým-rozlišením, jako je AR/VR, je nejen požadováno, aby rozlišení přesáhlo 3000 PPI, ale také pixely displeje musí mít rychlejší odezvu.
The cooperative team aimed at the field of high-resolution micro-display, and proposed a technical solution for the 3D monolithic integration of MoS2 thin-film transistor driver circuit and GaN-based Micro LED display chip. The team developed a non-"massive transfer" low-temperature monolithic heterogeneous integration technology, using a nearly non-destructive large-size two-dimensional semiconductor TFT manufacturing process, to achieve a high-brightness, high-resolution microdisplay of 1270 PPI, which can meet the needs of future microdisplays. Display, vehicle display, visible light communication and other cross-field applications.
Among them, compared with the traditional two-dimensional semiconductor device process, the new process developed by the team improves the performance of thin film transistors by more than 200 percent , reduces the difference by 67 percent , and the maximum driving current exceeds 200 μA/μm, which is better than IGZO, LTPS and other commercial materials. It shows the huge application potential of two-dimensional semiconductor materials in the display driving industry. This work is the first in the world to integrate two emerging technologies of high-performance two-dimensional semiconductor TFT and Micro LED, which provides a new technical route for the future development of Micro LED display technology.
The above works are respectively named "Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire" (corresponding authors are Prof. Wang Xinran and Prof. Wang Jinlan of Southeast University) and "Three dimensional monolithic Micro LED display driven by atomically-thin transistor matrix" (corresponding authors). It was published online in Nature Nanotechnology recently.
This series of work has been supported by projects such as Jiangsu Province's Frontier Leading Technology Basic Research Project, the National Natural Science Foundation of China, and the National Key RD Program. Changchun Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Tianma Microelectronics Co., Ltd., Nanjing Huanxuan Semiconductor Co., Ltd., etc.
